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Modelos Atómicos
Germán Barriga González, 2006.
Adaptado de la presentación del Profesor Dr. Víctor H. Ríos
John Dalton
John Dalton enunció unos postulados que le han valido el titulo de
"padre de la teoría atómica-molecular". Dalton trató de buscar la
explicación de las leyes ponderales que experimentalmente habían
comprobado él y otros químicos europeos.
Para él tenía que cumplirse, ante todo, que los
átomos de cada elemento debían tener la misma
masa.
Dalton llegó a expresar sus postulados después
de haber experimentado y comprobado:
- El comportamiento de los gases de acuerdo con las Leyes de Boyle y
Charles.
- La Ley de Gay-Lussac relativa a los volúmenes gaseosos de
combinación.
- La Ley de conservación de la masa enunciada por Lavoisier.
- La ley de composición constante.
- La ley de las proporciones múltiples.
Con esta idea, Dalton publicó en 1808 su Teoría Atómica que
podemos resumir:
Los elementos están formados por partículas muy pequeñas,
llamadas átomos, que son indivisibles e indestructibles.
Todos los átomos de un elemento
tienen la misma masa atómica.
Los átomos se combinan en
relaciones sencillas para formar
compuestos.
Los cuerpos compuestos están formados por átomos diferentes;
las propiedades del compuesto dependen del número y de la clase
de átomos que tenga.
La teoría de Dalton impulsó los conocimientos químicos durante un
siglo. A pesar de sus intentos,
Dalton no consiguió medir la masa absoluta de los átomos, pues
sabemos que es extremadamente pequeña, por lo que trató de
calcular la masa de los átomos con relación al hidrógeno, al que
dió el valor unidad.
Así surgió la escala química de masa atómicas.
Posteriormente se tomó como átomo de referencia el oxígeno, al
que se atribuyó una masa igual a 16, y se definió la unidad de
masa atómica (uma) como 1/16 de la masa del oxígeno.
Limitaciones de la teoría
La Ley de Lavoisier no es totalmente cierta, porque toda reacción
química lleva consigo un intercambio de energía y la producción de
energía supone pérdida de masa, según la ecuación de Einstein:
E = m×c2
Pero esta pérdida de masa en los procesos normales, escapa a toda
medida experimental con la balanza. La idea de Dalton de que los
átomos de cada elemento son todos iguales es falsa, pues la mayor
parte de los elementos están formados por isótopos, cosa que Dalton
desconocía.
Igualmente, cuando se combinan en reacciones normales los átomos
no se alteran, pero hoy se producen reacciones nucleares que
rompen o transmutan los átomos. Dalton no podía conocer estos
avances.
Joseph John Thomson (1856-1940)
Físico Británico estudió las propiedades eléctricas de la materia, especialmente la de los gases.
Descubrió que los rayos catódicos estaban
formados por partículas cargadas negativamente
(hoy en día llamadas electrones), de las que
determinó la relación entre su carga y masa. En
1906 le fue concedido el premio Nobel por sus
trabajos.
Millikan calculó experimentalmente el valor de la carga eléctrica negativa
de un electrón mediante su experimento con gotas de aceite entre placas
de un condensador. Dió como valor de dicha carga e = 1,6×10-19
culombios.
La medida directa del cociente carga-masa, e/m, de los electrones
por J. J.Thomson en 1897 puede considerarse justamente como el
principio para la compresión actual de la estructura atómica.
El clásico experimento de Thomson se desarrolló a partir del
estudio de las descargas eléctricas en gases.
Tubo
de
rayos
catódicos utilizado
por Thomson
Cuando se sitúan unas aberturas en A y B, el brillo se limita a un punto bien
definido sobre el vidrio, este punto puede desviarse mediante campos
eléctricos o magnéticos.
Thomson introduce así las ideas :
El átomo puede dividirse en las llamadas partículas fundamentales:
a) Electrones con carga eléctrica negativa
b) Protones con carga eléctrica positiva
c) Neutrones, sin carga eléctrica y con una masa mucho
mayor que las de los electrones y protones.
Thomson considera el átomo como una gran
esfera con carga eléctrica positiva, en la cual se
distribuyen los electrones como pequeños
granitos (de forma similar a las semillas en una
sandía)
Ernest Rutherford, (1871-1937)
Físico Inglés, nació en Nueva Zelanda, profesor en Manchester y director del
laboratorio Cavendish de la universidad de Cambridge. Premio Nobel de
Química en 1908. Sus brillantes investigaciones sobre la estructura atómica y
sobre la radioactividad iniciaron el camino a los descubrimientos más notables
del siglo. Estudió experimentalmente la naturaleza de las radiaciones emitidas
por los elementos radiactivos.
Tras las investigaciones de Geiger y Mardsen sobre la
dispersión de partículas alfa al incidir sobre láminas
metálicas, se hizo necesario la revisión del modelo
atómico de Thomson, que realizo Rutherford entre 1909 1911.
Este concebía el átomo como una esfera de carga positiva uniforme en la cual
están incrustados los electrones.
Se supone que el átomo consiste de un cierto número N de corpúsculos cargados
negativamente, acompañados de una cantidad igual de electricidad positiva
distribuida uniformemente en toda una esfera.
La teoría de Thomson está basada en la hipótesis de que la dispersión debida a
un simple choque atómico es pequeña y que la estructura supuesta para el átomo
no admite una desviación muy grande de una partícula alfa que incida sobre el
mismo, a menos que se suponga que el diámetro de la esfera de electricidad
positiva es pequeño en comparación con el diámetro de influencia del átomo
Puesto que las partículas alfa y beta atraviesan el átomo, un estudio
riguroso de la naturaleza de la desviación debe proporcionar cierta luz sobre
la constitución de átomo, capaz de producir los efectos observados.
Las investigaciones se produjeron tras el descubrimiento de la radioactividad
y la identificación de las partículas emitidas en un proceso radiactivo. El
montaje experimental que utilizaron Geiger y Mardsen se puede observar en
el dibujo.
Experimento
La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina sin desviarse,
porque igual que en caso de la reja, la mayor parte del espacio
de un átomo es espacio vacío.
Algunos rayos se desviaban, porque pasan muy cerca de
centros con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos
alfa (CARGA POSITIVA).
Muy pocos rebotan, porque chocan frontalmente contra esos
centros de carga positiva.
Posteriormente investigaciones de Rutherford pusieron de manifiesto que la carga
del núcleo era exactamente el número atómico multiplicado por la carga del
electrón.
Teniendo en cuenta ahora que el átomo de hidrógeno, por ser el más ligero de
todos, es el de número atómico igual a 1, puede pensarse que está constituido por
un electrón y un núcleo de igual carga, pero de signo contrario que posee casi toda
la masa del hidrógeno.
Este núcleo recibió el nombre de protón y se pensó que era una partícula presente
en los núcleos de todos los átomos.
El Modelo Atómico de Rutherford quedó constituido por:
- Todo átomo está formado por un núcleo y
corteza.
- El núcleo, muy pesado, y de muy pequeño
volumen, formado por un número de protones igual
al número atómico y de neutrones igual a la
diferencia entre la
masa atómica y el número
atómico, donde se concentra toda la masa atómica.
- Existiendo un gran espacio vacío entre el núcleo y
la corteza.
El modelo del átomo de RUTHERFORD se
parecía a un sistema solar en miniatura,
con los protones en el núcleo y los
electrones girando alrededor.
Núcleo
- Puesto que la materia es neutra el núcleo deberá tener un
número de cargas positivas (Z) igual al de electrones
corticales.
- Girando alrededor en distintas
órbitas circulares
elípticas, un número de electrones igual a de protones.
- Los electrones giran a grandes distancias
del
núcleo
de
modo
que su fuerza
centrífuga
es igual a la atracción
electrostática, pero de sentido contrario.
o
Crítica del modelo:
Fue fundamental la demostración de la discontinuidad de la materia y de los grandes
vacíos del átomo. Por lo demás, presenta deficiencias y puntos poco claros:
- Según la ya probada teoría electromagnética de Maxwell, al ser el electrón
una partícula cargada en movimiento debe emitir radiación constante y por
tanto, perder energía.
Esto debe hacer que disminuya el radio de su órbita y el electrón terminaría
por caer en el núcleo; el átomo sería inestable. Por lo tanto, no se puede
simplificar el problema planteado, para un electrón, que la fuerza
electrostática es igual a la centrífuga.
- Era conocida la hipótesis de Planck que no era tenida en cuenta.
- Ya se conocían los espectros atómicos y las fórmulas de la serie de Balmer
(1885) y la serie de Paschen (1908-1909) que mostraban claramente el carácter
cuantizado de la energía de los electrones y de los valores de r, que tampoco
tuvo en cuenta Rutherford al deducir una continuidad geométrica y una
consiguiente continuidad de energía.
- Como no se conocían los neutrones todos los cálculos anteriores incompletos.
Los experimentos de Rutherford eran definitivos, pero el planteamiento era
incompleto y lógicamente, también los cálculos
Espectros atómicos
Se llama espectro atómico de un elemento químico al resultado de descomponer
una radiación electromagnética compleja en todas las radiaciones sencillas que la
componen, caracterizadas cada una por un valor de longitud de onda, λ
El espectro consiste en un conjunto de líneas paralelas, que corresponden cada
una a una longitud de onda.
Podemos analizar la radiación que absorbe un elemento (espectro de absorción)
o la radiación que emite (espectro de emisión).
Cada elemento tiene un espectro característico; por tanto, un modelo atómico
debería ser capaz de justificar el espectro de cada elemento.
TIPO DE
RADIACION
Rayos Gamma
Rayos X
Ultravioleta
ESPECTRO VISIBLE
Infrarrojo
Intervalos de las longitudes de onda
Inferiores a 10-2 nanómetros
Entre 10-2 nanómetros y 15 nanómetros
Entre 15 nanómetros y 4×102
nanómetros
entre 4×102 nanómetros y 7,8×102
nanómetros
(4000 Ángstrom y 7800 Ángstrom)
Entre 7,8×102 nanómetros y 106
nanómetros
Región de
Microondas
Entre 106 nanómetros y 3×108
nanómetros
Ondas de Radio
Mayores de 3×108 nanómetros
Teoría cuántica de Planck
La teoría cuántica se refiere a la energía:
Cuando una sustancia absorbe o emite energía, no
puede absorberse o emitirse cualquier cantidad de
energía, sino que definimos una unidad mínima de
energía, llamada cuanto (que será el equivalente en
energía a lo que es el átomo para la materia);
O sea cualquier cantidad de energía que se emita o
se absorba deberá ser un número entero de
cuantos.
Cuando la energía está en forma de radiación electromagnética (es decir, de una
radiación similar a la luz), se denomina energía radiante y su unidad mínima recibe el
nombre de fotón. La energía de un fotón viene dada por la ecuación de Planck:
E = h×ν
h: constante de Planck = 6,62×10-34 Joule · segundo
ν: frecuencia de la radiación
POSTULADOS DE BÖHR.
El modelo atómico de Rutherford llevaba a unas
conclusiones que se contradecían claramente
con los datos experimentales.
Para evitar esto, Böhr planteó unos postulados
que no estaban demostrados en principio, pero
que después llevaban a unas conclusiones que
sí eran coherentes con los datos experimentales; es decir, la justificación experimental de
este modelo es a posteriori.
Primer postulado
El electrón gira alrededor del núcleo en órbitas circulares sin emitir energía radiante.
Segundo postulado
Sólo son posibles aquellas órbitas en las que el electrón tiene un momento angular que
es múltiplo entero de h/(2×π)
Puesto que el momento angular se define como L = m×v×r, tendremos:
m×v×r = n×h/(2×π)
→
r = a0×n2
Así, el Segundo Postulado nos indica que el electrón no puede estar a cualquier
distancia del núcleo, sino que sólo hay unas pocas órbitas posibles, las cuales
vienen definidas por los valores permitidos para un parámetro que se denomina
número cuántico, n.
Tercer Postulado
La energía liberada al caer el electrón desde una órbita a otra de menor energía se
emite en forma de fotón, cuya frecuencia viene dada por la ecuación de Planck:
Ea - Eb = h×ν
Así, cuando el átomo absorbe (o emite) una radiación, el electrón pasa a una órbita de
mayor (o menor) energía, y la diferencia entre ambas órbitas se corresponderá con
una línea del espectro de absorción (o de emisión).
Correcciones al modelo de Böhr: números cuánticos.
En el modelo original de Böhr, se precisa un único parámetro (el número cuántico
principal, n), que se relaciona con el radio de la órbita circular que el electrón realiza
alrededor del núcleo, y también con la energía total del electrón.
Los valores que puede tomar este número cuántico son los enteros positivos: 1, 2, 3...
Sin embargo, pronto fue necesario modificar el modelo para adaptarlo a los nuevos
datos experimentales, con lo que se introdujeron otros tres números cuánticos para
caracterizar al electrón:
número cuántico secundario o azimutal (l)
número cuántico magnético (m)
número cuántico de espín (s)
Modelo de Bohr
Número cuántico secundario o azimutal (l): corrección de Sommerfeld
En 1916, Sommerfeld modificó el modelo de Böhr considerando que las órbitas
del electrón no eran necesariamente circulares, sino que también eran posibles
órbitas elípticas; esta modificación exige disponer de dos parámetros para
caracterizar al electrón.
Una elipse viene definida por dos parámetros, que son los valores de sus
semiejes mayor y menor. En el caso de que ambos semiejes sean iguales, la
elipse se convierte en una circunferencia.
Así, introducimos el número cuántico secundario o azimutal (l), cuyos valores
permitidos son: l = 0, 1, 2, ..., n – 1
Por ejemplo, si n = 3, los valores que puede tomar l serán: 0, 1, 2
Número cuántico magnético (m).
Indica las posibles orientaciones en el espacio que puede adoptar la órbita del
electrón cuando éste es sometido a un campo magnético externo (efecto
Zeemann). Valores permitidos: - l, ..., 0, ..., + l
Por ejemplo, si el número cuántico secundario vale l = 2, los valores permitidos para
m serán: -2, -1, 0, 1, 2
El efecto Zeemann se debe a que cualquier carga eléctrica en movimiento crea un
campo magnético; por lo tanto, también el electrón lo crea, así que deberá sufrir la
influencia de cualquier campo magnético externo que se le aplique.
Número cuántico de espín (s).
Indica el sentido de giro del electrón en torno a su propio eje. Puede tomar sólo
dos valores: +1/2, -1/2.
Fallos del modelo de Böhr.
El modelo de Böhr permitió explicar adecuadamente el espectro del átomo de
hidrógeno, pero fallaba al intentar aplicarlo a átomos polielectrónicos y al intentar
justificar el enlace químico.
Además, los postulados de Böhr suponían una mezcla un tanto confusa de
mecánica clásica y mecánica cuántica.
Análisis energético
Siguiendo razonamientos semejantes, es posible determinar la energía asociada a
cada órbita que resulta ser:
Ecuación que refleja nuevamente la
idea de cuantificación.
La energía del electrón varía de una forma discontinua. Cada valor En define un
nivel o estado energético del electrón.
El nivel E1, correspondiente al primer valor del número cuántico n, recibe el
nombre de nivel o estado fundamental y los sucesivos E2, E3... se denominan
estados excitados.
El nivel fundamental corresponde al estado de mínima energía. A medida que
crece n, decrece su valor absoluto En , pero debido a su carácter negativo, su
valor real aumenta, de ahí que los estados excitados correspondan a niveles
energéticos superiores.
Análisis energético